复杂城区深基坑施工老旧建筑保护研究_杜岩.pdf

DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202205037开放科学（资源服务）标识码（OSID）复杂城区深基坑施工老旧建筑保护研究杜 岩1，李萌玉2，殷建国2，上官士青2，郁志伟3,4（1.中交(成都)城市开发有限公司，成都641400；2.中交公路规划设计院有限公司，北京100007；3.中交集团绿色建筑技术研发中心，北京100022；4.中交建筑集团有限公司，北京100022）摘要：依托中交集团上海总部基地项目工程，针对工程影响范围内的历史保护建筑结构特点，提出保护措施。运用 midas GTS NX 有限元软件模拟分析基坑开挖过程中的建筑基础变形，与现场监测数据进行对比。计算结果及实践验证：相关技术措施能够有效保证基坑支护结构及历史保护建筑安全。关键词：城市中心区；深基坑开挖；历史建筑平移；数值模拟；竖直位移中图分类号：U231.3文献标志码：B文章编号：1003 8825(2023)01 0031 06 0 引言随着城市建设的快速发展，基坑工程实施对既有历史保护建筑的影响成为重要研究课题之一。不少学者已进行相关研究工作1-2。刘征3以上海半岛酒店工程为案例，总结历史保护建筑的结构特点和对变形的控制要求；钟铮等4以上海外滩 191 号项目为例，介绍邻近保护建筑的深基坑围护设计；黄茂松等5考虑建筑物自身承载能力，提出基于周边既有建筑物承载能力的基坑变形控制标准；丁勇春等6以上海地铁 10 号线南京东路站为例，通过数值方法研究深基坑施工对历史建筑的变形影响。本文结合中交集团上海总部基地项目，介绍城市中心区复杂环境下邻近历史保护建筑的深基坑围护设计措施，采用数值模拟并结合监测数据进行分析验证，为类似工程方案优化提供参考借鉴。1 工程概况中交集团上海总部基地项目位于城市中心区，周边环境复杂，环境保护要求较高。项目拟建2 幢高层办公楼（160、90 m）及多栋多层商业及公共服务配套，设置 3 层地下室。基坑面积约23 165 m2，周长约 671.00 m，东西向长约 247.00 m，南北向宽约 108.00 m，开挖深度约 15.65 m。平面示意，见图 1。N号保护建筑临时位置号保护建筑最终位置杨树浦路规划宁远路西塔楼东塔楼基坑开挖轮廓线场地红线1号船坞规划天章路2号船坞清障回填区域号保护建筑规划通北路号保护建筑现状位置图1中交集团上海总部基地平面示意 基坑北侧为杨树浦路，有大直径雨污水管。南侧为规划天章路，既有船厂 1 号、2 号船坞，部分侵入地块范围。西侧为规划宁远路，为空旷场地。东侧为规划通北路，分布雨水、燃气等小直径管线。号建筑为历史保护建筑，位于场地西北角。距离基坑边 711 m 的号建筑及场地内雨水、电力、上水、电信管线在施工前予以处理预加固。1.1 地层岩性与水文条件场地属滨海平原地貌。基坑及以下各土层物理力学性质，见表 1。浅部土层中的地下水属潜水类型，埋深 1.11.8 m。第、层砂性土中地下水属承压水（层、层承压水连通）。初步计算不能满足抗突涌要求，一般区域承压水降深 1.0 m 左右，主楼局部深基坑最大降深 8.0 m。收稿日期：2022 09 15基金项目：中交集团科技研发重大项目（2021-ZJKJ-11）作者简介：杜岩（1983），男，山东青岛人。高级工程师，硕士，从事道路及地下工程的研发与管理工作。E-mail：。杜 岩，等：复杂城区深基坑施工老旧建筑保护研究 31 表1土层物理力学性质地质年代土层及编号平均层厚/m重度/（kNm3）含水率/%压缩模量/MPa黏聚力/kPa内摩擦角/（）地基承载力/kPa渗透系数/（cms1）全新世Q4Q43-1杂填土2.6118.04.008 8.01.50E-04-3灰黄-灰色黏质粉土夹粉质黏土（江滩土）5.5218.234.36.501330.5707.50E-06Q42灰色淤泥质粉质黏土2.8717.044.15.111527.5553.00E-07灰色淤泥质黏土6.3516.846.85.381618.5505.50E-07Q41-1-1灰色黏土2.4417.541.66.241722.5702.00E-06-1-2灰色粉质黏土4.3018.231.97.361928.5803.00E-06-3灰色粉质黏土5.1218.629.51831.02.00E-06晚更新世Q3Q32暗绿-灰绿色粉质黏土4.6319.723.66322.02.00E-06-1草黄-灰黄色粉砂8.1618.928.1341.55.00E-04-2草黄色砂质粉土夹粉质黏土22.2219.125.573.90244.01.50E-03 1.2 基坑设计方案基坑安全等级为一级，环境保护等级为二级，北侧及东北侧邻近保护建筑和杨树浦路，按环境保护一级要求执行。南侧 1、2 号船坞局部范围采用1 200mm950 钻孔咬合桩外，采用地下连续墙，有效墙长 30.70 m。采用三道混凝土支撑，支撑平面采用对撑+端部角撑相结合的边桁架形式。基坑围护平面布置，见图 2。1000地墙800地墙杨树浦路宁远路天章路1200950咬合桩图2基坑围护平面布置 坑边采用 800 mm600 高压旋喷桩暗墩加固，加固宽度6.8 m。存在电梯井、集水井等局部落深区，坑边采用 800 mm600 高压旋喷桩围护，坑底高压旋喷桩满堂加固封底。除号历史建筑局部范围，采用明挖顺作方案。1.3 号历史建筑保护方案 1.3.1 概况号历史建筑为 23 层钢筋混凝土框架结构，建于上世纪 2030 年代。原来在杨树浦路红线上，目前已被加固平移至地块内临时位置。号建筑现状，见图 3。根据规划，要将号保护建筑移动至最终位置。号历史建筑基坑开挖深度 15.35 m，采用800.00 mm 厚地下连续墙，有效墙长 30.70 m，850 mm1 200/1 800 三轴水泥土搅拌桩槽壁加固，基坑剖面，见图 4。图3号保护建筑现状 用地红线现状空地16000单排三轴水泥搅拌柱38501200单排三轴水泥搅拌柱38501800800600400032502350450045004650350ZC1QL1:1200800QL2:1300900QL3:1300900ZC2ZC3LG3:8007001.60015005700153504600355077005000680085080032.60021.150164501100153501425020350850300016.150250 mm挡墙200厚垫层800厚地下连续墙止水钢板1号历史保护建筑局部顶板结构逆作地库顶板格构柱规划宁远路图4号保护建筑侧基坑剖面（单位：mm）1.3.2 平移保护方案本方案将保护建筑平移和基坑施工结合，第一步：在基坑围护施工前先将号保护建筑迁移至东南侧临时位置，基坑西侧支护施工；第二步：在号保护建筑最终位置处逆作顶板，并完成顶板下支撑，将号保护建筑通过滑轨平移至西方向最终位置地下室顶板上方；第三步：基坑开挖，施作支撑，保护建筑最终位置区域局部逆作施工。号建路基工程 32 Subgrade Engineering2023 年第 1 期（总第 226 期）筑移位平面流程，见图 5。号建筑处基坑开挖流程，见图 6。第1步 平移至临时位置第2步 逆做顶板 平移复位第3步 基坑开挖最终位置26953逆做顶板 局部 同时完成顶板下支撑杨树浦路规划宁远路临时位置基坑支撑杨树浦路规划宁远路现状位置围护墙位置临时位置282257766杨树浦路规划宁远路图5号建筑移位的平面流程（单位：mm）步骤1：围护墙及立柱桩施工步骤2：逆作顶板施工 同步完成顶板下支撑格构柱地墙槽壁加固0.800+4.100 临时筏板基础用地红线1号历史保护建筑中间址步骤3：1号历史保护建筑平移至逆作结构上步骤5 基坑回筑施工步骤4：基坑开挖施工保护建筑 平移至逆作结构上用地红线地墙槽壁加固格构柱临时筏板基础第二道支撑第三道支撑第一道支撑用地红线地墙逆作顶板结构1号历史保护建筑地墙格构柱下二层板底板下一层板用地红线地下室顶板1号历史保护建筑地墙结构柱临时筏板基础局部顶板结构逆作基坑支撑0.450+4.450 11000格构柱图6号建筑处基坑开挖流程 号保护建筑目前已进行托梁、墙柱等加固改造，中址设置筏板基础和千斤顶，见图 7。图7号保护建筑加固 1.3.3 基础设计号保护建筑最终落座于地下室顶板上，将地下室顶板作为建筑基础，建筑基础连接方案，见图 8。待工程实施完成后对部分加固构件进行拆除，并将号保护建筑进行修缮。逆作范围地下室顶板作为建筑基础在实施过程中的变形需控制在20 mm 以内。建筑上托盘梁建筑基础翼缘找平层M30高强水泥复合砂浆垫层(隔离层)地下室板 兼做1号保建筑基础 地下示意12200植筋深度15dJL500850顶升高度50505003805951200850763000.000 5.445 0.050 5.395 0.525 3.920 图8号建筑基础连接（单位：mm）杜 岩，等：复杂城区深基坑施工老旧建筑保护研究 33 1.4 工程项目难点本项目规模大，包括 2 栋超高层和 3 层满堂地下室，还需处理船坞清障和拔桩、号保护建筑移位、号建筑保护等内容，计划 3 年内完成，进度压力大。深大基坑施工周期长，场地浅部江滩土松散且渗透系数大，第、层淤泥质土厚度大，物理力学性质差，围护墙和基坑开挖施工易产生变形和渗漏。合理筹划号保护建筑平移和基坑施工，缩短工期，减小成本，确保安全。以上问题的处理将是本工程成败关键。2 历史建筑保护有限元数值模拟 2.1 模型建立 2.1.1 模型与参数号保护建筑平移保护要求高且与主建筑深基坑开挖施工关联紧密，运用有限元软件 midasGTS 进行数值模拟，计算模型，见图 9。包括土体、基坑围护桩墙结构、围檩、支撑、立柱（立柱桩）、号保护建筑、南侧既有船厂 1 号、2 号船坞及相应扶壁式挡墙、号保护建筑最终位置处逆作顶板，其中号保护建筑结构均转换为实际荷载代替。模型范围以基坑外轮廓为基准外扩不小于3 倍基坑深度。咬合桩、地下连续墙采用板单元模拟。图9三维有限元计算模型 号保护建筑附近计算模型，见图 10。上部结构已加固改造，在基坑开挖中足以满足受力及变形要求。落座于逆做地下室顶板之上，并以地下室顶板为基础，仅需对地下室顶板在基坑开挖中的变形进行控制即能保证稳定性。图10号保护建筑附近计算模型 土体本构模型为修正摩尔-库仑理想弹塑性模型，四边形单元。地下连续墙、立柱桩、格构柱、内支撑、冠梁、腰梁等结构单元采用线弹性模型，构件物理力学性质，见表 2。表2构件物理力学性质构件名称单元属性模型类型重度/（kNm3）弹性模量E/GPa泊松比格构柱1梁单元 弹性2531.50.2地下连续墙 2板单元 弹性2531.50.2围檩1梁单元 弹性2531.50.2混凝土支撑 1梁单元 弹性2531.50.2 2.1.2 计算工况及监测点设置初始工况：生成初始地应力场；工况 1：围护墙、立柱桩及船坞结构改造；工况 2：号保护建筑最终位置处顶板基础逆作实施，建筑平移至逆作顶板基础上并完成相互连接；工况 3：开挖第一层土体；工况 4：第一道支撑实施并开挖第二层土体；工况 5：第二道支撑实施并开挖第三层土体；工况 6：第三道支撑实施并开挖第四层土体至坑底。基坑开挖后的模型，见图 11。1号保护建筑最终位置处顶板基础既有船坞图11基坑开挖后的模型 在号保护建筑基础范围选取 9 个监测点作为分析对象，位置及编号，见图 12。789641532图12逆作顶板特征点位置及编号 2.2 计算结果及分析描述计算结果的三维坐标系确定号保护建筑基础各监测点在各工况下的水平位移 TX、TY，竖向位移 TZ，见图 13。以向上为 Z 轴正向，项目正东方向为 X 轴正向，项目正北方向为 Y 轴正向。监测点 6 和监测点 9 的水平位移 TX 最大，最大值分别为 11.75、11.63 mm，出现在工况 6，变形方向为基坑内侧；监测点 1 和监测点 2 的水平位移TY 最大，最大值分别为 8.79、8.75 mm，出现在路基工程 34 Subgrade Engineering2023 年第 1 期（总第 226 期）工况 6，变形方向为北侧方向；监测点 1 及监测点6 的竖向位移 TZ 最大，在工况 2 时，由于号保护建筑平移至逆作顶板基础上并完成相互连接，将建筑结构自重作用于逆作顶板，因此表现为沉降变形，此时监测点 6 达到最大值为沉降 13.62 mm，随着基坑开挖深度增加，竖向变形由沉降变为隆起，直至工况 6，监测点 1 达到最大值为隆起12.72 mm。因此，工况 2 及工况 6 为最不利工况。监测点1监测点2监测点3监测点4监测点5监测点6监测点7监测点8监测点92024681012123456工况 a 水平位移TX水平位移TX/mm b 水平位移TY20246810123456工况水平位移TY/mm c 水平位移TZ15105051015123456工况水平位移TZ/mm图13逆作顶板监测点位移随工况变化曲线 作为号保护建筑的基础，逆作地下室顶板的不均匀沉降控制最为重要，工况 2 及工况 6 的竖向变形，见图 14、图 15。7（3.9 mm）8（3.3 mm）9（3.9 mm）6（13.6 mm）3（13.2 mm）2（7.8 mm）5（11.7 mm）1（3.6 mm）4（7.6 mm）图14逆作地下室顶板变形（工况 2）7 5.2 mm）8 2.1mm）9（4.8 mm）6（5.5 mm）3（8.2 mm）5（4.2 mm）4（4.8 mm）1（12.7 mm）2（11.4 mm）图15逆作地下室顶板变形（工况 6）工况 2 相应逆做地下室顶板变形呈现沉降变形，最大值变形位置为监测点6，沉降值为13.62 mm；工况 6 相应逆做地下室顶板变形呈现隆起变形，最大值变形位置为监测点 1，隆起值为 12.72 mm，变形满足 20.00 mm 限值的保护要求。基坑边缘由于围护桩墙的作用，限制了逆做地下室顶板在该侧的位移，远离基坑边缘侧由于基坑开挖导致的隆起变形更加明显。3 施工过程中历史建筑保护监测及评价搭建基于 BIM 平台的系统，利用静力水准仪、倾角传感器、裂缝传感器对号历史保护建筑的竖向位移、墙体倾斜、裂缝扩展进行实时监测，辅以精密水准仪、激光准直法对竖向位移与墙体倾斜进行人工复核。号保护建筑基础竖向位移监测点布置，见图 16。沉降监测点 D8、D9、D10、D11 的监测值与监测点 1、3、7、9 不同工况下的数值变形曲线，见图 17。D8 D9 D10 D11 1号保护建筑Di:建筑物沉降监测点图16号保护建筑基础竖向位移监测布置 15105051015123456工况监测点1沉降监测D8监测点3沉降监测D9监测点7沉降监测D11监测点9沉降监测D10竖向位移TZ/mm图17沉降监测点 D8D11 的监测值曲线 沉降监测值与对应位置数值模拟结果趋势大致相同。由于号保护建筑有一定刚度并与逆做地下室顶板相互连接，模型中用荷载替代结构自重，未考虑建筑与逆做地下室顶板的变形协调，因此实际工程中逆做地下室顶板的变形值更加均匀。工况2 时逆做地下室顶板监测值呈现沉降变形，与模拟结果一致，最大值位置 D9，沉降值 11.6 mm；工况 6 逆做地下室顶板时呈现隆起变形，与模拟结果一致，最大值变形位置 D8，隆起值 11.10 mm，变杜 岩，等：复杂城区深基坑施工老旧建筑保护研究 35 形满足 20.00 mm 限值要求。4 结语本文针对工程影响范围内的历史保护建筑特点，运用 midas GTS NX 软件建立数值模型，对基坑开挖过程中的建筑基础变形进行分析，并与监测数据进行对比。（1）保护建筑加固与平移、建筑平移与基坑整体结合实施等相关技术措施能够有效保证工期、支护结构及历史保护建筑安全。（2）号保护建筑平移至逆作顶板基础上并完成相互连接、第三道支撑实施并开挖第四层土体至坑底是最不利工况，不同工况下的相应变形控制均应得到足够重视。（3）基坑边缘围护桩墙有利于控制逆做地下室顶板的竖向变形，远离基坑边缘侧隆起效应较明显。（4）保护建筑上部结构的加固改造，并与逆做地下室顶板相互连接，有利于竖向变形趋于均匀。参考文献(References)：1 刘建航,侯学渊.基坑工程手册M.北京:中国建筑工业出版社,1997.LIU J H,HOU X Y.Excavation engineering handbookM.Beijing:China Building Industry Press,1997.2 孙更生,郑大同.软土地基与地下工程M.北京:中国建筑工业出版社,1984.SUN G S,ZHENG D T.Soft soil foundation and underground engi-neeringM.Beijing:China Building Industry Press,1984.3 刘征.临近历史保护建筑的深基坑设计与施工 J.地下空间与工程学报,2009,5（增刊 2）:1653 1659.LIU Z.Design and construction of deep excavations adjacent toconserved historical buildings J.Chinese Journal of Underground Spaceand Engineering,2009,5（S2）:1653 1659.4 钟铮,许亮,王祺国,等.紧邻保护建筑的深基坑逆作法设计与实践 J.岩土工程学报,2010,32（增刊 1）:249 255.ZHONG Z,XU L,WANG Q G,et al.Design and practice of top-downmethod in deep foundation pits very close to protected buildings J.Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2010,32（S1）:249 255.5 黄茂松,朱晓宇,张陈蓉.基于周边既有建筑物承载能力的基坑变形控制标准 J.岩石力学与工程学报,2012,31（11）:2305 2311.DOI:10.3969/j.issn.1000-6915.2012.11.019.HUANG M S,ZHU X Y,ZHANG C R.Deformation controlling criterionfor excavation based on bearing capacity of adjacent buildings J.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2012,31（11）:2305 2311.DOI:10.3969/j.issn.1000-6915.2012.11.019.6 丁勇春,程泽坤,王建华,等.深基坑施工对历史建筑的变形影响及控制研究 J.岩土工程学报,2012,34（增刊 1）:644 648.DING Y C,CHENG Z K,WANG J H,et al.Influence of deep excavationon deformation and control of adjacent historical building J.ChineseJournal of Geotechnical Engineering,2012,34（S1）:644 648.StudyonOldBuildingProtectioninDeepExcavationinComplexUrbanAreaDU Yan1，LI Mengyu2，YIN Jianguo2，SHANGGUAN Shiqing2，YU Zhiwei3,4（1.CCCC City Development(Chengdu)Co.,Ltd.,Chengdu 641400,China；2.CCCC Highway Consultants Co.,Ltd.,Beijing 100007,China；3.Research and Development Center of Green Building Technology of CCCC,Beijing 100022,China；4.CCCC Construction Group Co.,Ltd.,Beijing 100022,China）Abstract:Relying on CCCC Shanghai Headquarters Base project,according to the structural characteristics ofthe historical building protected within the reach of engineering,a series of protection measures were proposed.Simulation analysis of the deformation of bulding foundation during pit excavation was carried out by use ofmidas GTS NX finite element software,and then the field monitoring data was compared.The calculation resultand the practical verification show that the relevant technical measures can ensure the safety of foundation pitsupporting structure and historical building.Key words:urban center district；deep excavation；historical building translation；numerical simulation；vertical displacement路基工程 36 Subgrade Engineering2023 年第 1 期（总第 226 期）